DE102013211290A1

DE102013211290A1 - Device and method for detecting a change in position

Info

Publication number: DE102013211290A1
Application number: DE201310211290
Authority: DE
Inventors: Uwe Braatz; Uwe Krause; Uwe Nolte
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2014-12-18

Abstract

Erfindungsgemäß werden eine Einrichtung zur Erkennung einer Positionsänderung eines beweglichen Körpers und ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen. Dabei werden folgende Merkmale verwendet: a) ein Ferromagnet (1) wird durch eine erste Spule (L1) in einer bevorzugten Richtung, d.h. in einer Ausgangsrichtung magnetisiert, b) ein mit dem Körper verbundener Permanentmagnet (2), magnetisiert den Ferromagneten (1) bei der Positionsänderung des Körpers entlang der bei der Positionsänderung zurückgelegten Wegstrecke (s) zumindest teilweise aus der Ausgangsrichtung um und c) es erfolgt eine Rückmagnetisierung der zuvor ummagnetisierten Elementarteilchen in die Ausgangsrichtung und eine Messung des Rückmagnetisierungseffekts.According to the invention, a device for detecting a change in position of a movable body and a corresponding method are proposed. The following features are used: a) a ferromagnet (1) is driven by a first coil (L1) in a preferred direction, i.e. magnetized in an initial direction, b) a permanent magnet (2) connected to the body, magnetizes the ferromagnet (1) when the body changes position along the distance (s) covered during the change in position at least partially from the initial direction and c) a Reverse magnetization of the previously magnetized elementary particles in the initial direction and a measurement of the reverse magnetization effect.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung einer Positionsänderung eines beweglichen Körpers. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Erkennung einer Positionsänderung. The invention relates to a device for detecting a change in position of a movable body. In addition, the invention relates to a corresponding method for detecting a change in position.

In der Praxis werden oftmals Positioniersysteme eingesetzt, die auf Basis eines inkrementellen Gebers arbeiten. Bei dieser preisgünstigen Lösung ist eine einmalige Absolutpositionsbestimmung eines Körpers anhand einer Wegmarke erforderlich. Dies wird üblicherweise im Rahmen einer Initialfahrt durchgeführt. In practice, positioning systems are often used that operate on the basis of an incremental encoder. This cost-effective solution requires a unique absolute position determination of a body based on a waymark. This is usually done as part of an initial trip.

Ein Problem entsteht, wenn beispielsweise aus Energiespargründen die Stromversorgung abgeschaltet wird und somit nach dem Wiedereinschalten erst eine Initialfahrt durchgeführt werden muss. In diesem Fall ist nicht die sofortige Betriebsbereitschaft nach dem Wiedereinschalten gegeben. A problem arises when, for example, for energy saving reasons, the power supply is switched off and thus after initial activation only an initial trip must be performed. In this case, the immediate operational readiness after restart is not given.

Um die Initialfahrt zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung des Körpers nach dem Einschalten erkennt, ob die Position im ausgeschalteten Zustand verändert wurde. Bei unveränderter Position wird von der vor dem Ausschalten zuletzt gespeicherten Position ausgegangen. Eine Initialfahrt ist in diesem Fall nicht erforderlich. Das System kann sofort mit den normalen Antriebsparametern arbeiten. In order to avoid the initial travel, it is advantageous if the control of the body after switching on recognizes whether the position was changed in the switched-off state. If the position is unchanged, the position last saved before switching off is assumed. An initial trip is not required in this case. The system can work immediately with the normal drive parameters.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der oben genannten Art vorzuschlagen, die auf einfache Weise, beispielsweise auch bei ausgeschalteter Steuerung des Körpers, eine Positionsänderung erkennt. The invention is therefore based on the object to propose a device of the type mentioned above, which detects a change in position in a simple manner, for example, even when the control of the body is switched off.

Die erste, die Einrichtung betreffende Aufgabe wird mit folgenden Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst:

a) Mit einem Ferromagneten,
b) mit einer ersten Spule zur Magnetisierung des Ferromagneten in einer bevorzugten Richtung, d.h. in einer Ausgangsrichtung,
c) mit einem Permanentmagneten, der mit dem Körper verbunden ist, zur zumindest teilweisen Ummagnetisierung aus der Ausgangsrichtung bei der Positionsänderung des Körpers entlang der bei der Positionsänderung zurückgelegten Wegstrecke und
d) mit Mitteln zur Ermittlung der Ummagnetisierung.

The first, the device-related object is achieved with the following features according to claim 1:

a) With a ferromagnet,
b) having a first coil for magnetizing the ferromagnet in a preferred direction, ie in an output direction,
c) with a permanent magnet, which is connected to the body, for at least partial remagnetization of the output direction in the change in position of the body along the distance traveled during the change in position and
d) with means for determining the magnetic reversal.

Zur Bewegungserkennung wird der Remanenzeffekt von ferromagnetischen Materialien ausgenutzt. Durch Ummagnetisierung des ferromagnetischen Materials kann eine mechanische Bewegungsinformation gespeichert werden, ohne dass dazu elektrische Energie notwendig ist. Dies erfolgt im ausgeschalteten Zustand. Sobald wieder elektrische Energie zu Verfügung steht, kann die geänderte Magnetisierung, die der gespeicherten Bewegungsinformation entspricht, ausgelesen und ausgewertet werden. For motion detection, the remanence effect of ferromagnetic materials is exploited. By magnetic reversal of the ferromagnetic material, a mechanical movement information can be stored without the need for electrical energy is necessary. This is done in the off state. As soon as electrical energy is available again, the changed magnetization, which corresponds to the stored movement information, can be read out and evaluated.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen. Advantageous developments of the device can be found in the dependent claims 2 to 6.

Die weitere, das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 2 gelöst. Dabei werden folgende Merkmale verwendet:

a) Ein Ferromagnet wird durch eine erste Spule in einer bevorzugten Richtung, d.h. in einer Ausgangsrichtung magnetisiert,
b) ein mit dem Körper verbundener Permanentmagnet magnetisiert den Ferromagneten bei der Positionsänderung des Körpers entlang der bei der Positionsänderung zurückgelegten Wegstrecke zumindest teilweise aus der Ausgangsrichtung um und
c) es erfolgt eine Rückmagnetisierung der zuvor ummagnetisierten Elementarteilchen in die Ausgangsrichtung und eine Messung des Rückmagnetisierungseffekts.

The further object relating to the method is achieved with the features of claim 2. The following features are used:

a) A ferromagnet is magnetized by a first coil in a preferred direction, ie in an output direction,
b) a permanent magnet connected to the body magnetizes the ferromagnet in the change in position of the body along the distance traveled during the change in position at least partially from the output direction and
c) there is a re-magnetization of the previously ummagnetisierten elementary particles in the output direction and a measurement of the Rückmagnetisierungseffekts.

Das Verfahren benötigt keinen eigenen Energiespeicher zur Überbrückung des ausgeschalteten Zustands, ist mechanisch verschleißfrei und kostengünstig zu realisieren. The method does not require its own energy storage to bridge the off state, is mechanically wear-free and inexpensive to implement.

Es ermöglicht, nach dem Einschalten eines Antriebs oder Fahrzeugs zu erkennen, ob der Antrieb bzw. das Fahrzeug im ausgeschalteten Zustand bewegt wurde. It makes it possible to detect after switching on a drive or vehicle, whether the drive or the vehicle was moved in the off state.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen 8 bis 11 zu entnehmen. Advantageous developments of the method can be found in the subclaims 8 to 11.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: An embodiment of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing. Show it:

1 einen Ferromagnet mit einer Lösch- und Lesespule, 1 a ferromagnet with a clear and read coil,

2 einen Ferromagnet mit ausgerichteten Elementarmagneten nach Magnetisierung durch die Löschspule, 2 a ferromagnet with aligned elementary magnets after magnetization by the quenching coil,

3 einen Ferromagnet mit Verteilung der magnetischen Feldlinien nach teilweiser Ummagnetisierung durch Bewegung des Permanentmagneten, 3 a ferromagnet with distribution of the magnetic field lines after partial remagnetization by movement of the permanent magnet,

4a die Feldlinienänderung bei der Rückmagnetisierung in die Ausgangsrichtung zum Auslesen der gespeicherten Bewegungsinformation, 4a the field line change in the return direction in the output direction for reading out the stored movement information,

4b einen in der Lesespule induzierten Spannungsimpuls durch Stromimpuls in der Löschspule zur Rückmagnetisierung, 4b a voltage pulse induced in the read coil by current pulse in the quenching coil for back magnetization,

5 einen Übersprechspannungsimpuls in der Lesespule, 5 a crosstalk voltage pulse in the read coil,

6 die Integraldifferenz zwischen Ummagnetisierungsspannungsimpuls und Übersprechspannungsimpuls, 6 the integral difference between the reverse magnetization voltage pulse and the crosstalk voltage pulse,

7a, b die Richtungserkennung im ausgeschalteten Zustand durch Veränderung der Permanentmagnetanordnung, 7a , b the direction detection in the off state by changing the permanent magnet arrangement,

8a, b die Integraldifferenz zwischen Ummagnetisierungsspannungsimpuls und Übersprechspannungsimpuls in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung bei veränderter Permanentmagnetanordnung, 8a , b is the integral difference between the reverse magnetization voltage pulse and the crosstalk voltage pulse in the forward or backward direction with a modified permanent magnet arrangement,

9 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Ringkern als Ferromagnet und einer ersten Ausrichtung des Permanentmagneten, 9 an embodiment according to the invention with a toroidal core as a ferromagnet and a first orientation of the permanent magnet,

10 eine Anordnung des Permanentmagneten mit einer zweiten Ausrichtung und 10 an arrangement of the permanent magnet with a second orientation and

11 ein Blockschaltbild zur Sensor-Ansteuerung und -Auswertung. 11 a block diagram for sensor control and evaluation.

Die im Folgenden beschriebene Einrichtung zur Erkennung einer Positionsänderung eines beweglichen Körpers kann auch als Bewegungssensor umschrieben werden. The device for detecting a change in position of a movable body described below can also be described as a motion sensor.

In 1 ist ein Ferromagnet 1 dargestellt, der eine messbare magnetische Remanenzflussdichte BR besitzt und mit einer ersten Spule L1 und mit einer zu dieser um 90° versetzt angeordneten zweiten Spule L2 umwickelt ist. Der Ferromagnet 1 wird hier stellenweise auch als ferromagnetischer Spulenkern bezeichnet. Die Magnetfeldlinien B1 und B2, welche diese Spulen L1 und L2 erzeugen, sind dadurch ebenfalls um 90° versetzt. Die Spule L1 dient dabei als „Löschspule“, die andere Spule L2 als „Lesespule“. In 1 is a ferromagnet 1 which has a measurable magnetic remanence flux density BR and is wound with a first coil L1 and with a second coil L2 arranged offset by 90 ° relative thereto. The ferromagnet 1 Here is sometimes referred to as a ferromagnetic coil core. The magnetic field lines B1 and B2, which generate these coils L1 and L2, are thereby also offset by 90 °. The coil L1 serves as a "quenching coil", the other coil L2 as a "read coil".

Vor dem Ausschalten der Steuerung werden die Elementarmagnete im Ferromagneten 1 durch einen Stromimpuls I1 in der Löschspule L1 parallel zu den magnetischen Feldlinien der Löschspule L1 gemäß 2 ausgerichtet. Die magnetische Flussdichte B1 in der Löschspule L1 muss dabei größer sein als die Remanenzflussdichte BR des Ferromagneten 1. Before switching off the control, the elementary magnets in the ferromagnet become 1 by a current pulse I1 in the quenching coil L1 in parallel to the magnetic field lines of the quenching coil L1 according to FIG 2 aligned. The magnetic flux density B1 in the quenching coil L1 must be greater than the remanence flux density BR of the ferromagnet 1 ,

Durch eine Bewegung des Körpers im ausgeschalteten Zustand der Steuerung wird ein Permanentmagnet 2 mit den Polen N und S an dem Ferromagneten 1 um eine Strecke s gemäß 3 vorbeigeführt. Dabei werden die Elementarmagnete im Ferromagneten 1 durch den Permanentmagneten 2 ummagnetisiert. Die magnetischen Feldlinien BM des Permanentmagneten 2 müssen dabei parallel zu den möglichen Feldlinien B2 der Lesespule L2 ausgerichtet sein und die magnetische Flussdichte BM des Permanentmagneten 2 muss größer sein als die Remanenzflussdichte BR des Ferromagneten 1. By a movement of the body in the off state of the controller becomes a permanent magnet 2 with the poles N and S on the ferromagnet 1 according to a distance s 3 past. The elementary magnets are in the ferromagnet 1 through the permanent magnet 2 magnetization reversal. The magnetic field lines BM of the permanent magnet 2 must be aligned parallel to the possible field lines B2 of the read coil L2 and the magnetic flux density BM of the permanent magnet 2 must be greater than the remanence flux density BR of the ferromagnet 1 ,

Nach dem Wiedereinschalten der Steuerung wird erneut die Löschspule L1 mit einem Stromimpuls I1 beaufschlagt, d.h. es erfolgt eine Rückmagnetisierung. Dabei werden die Elementarmagnete des Ferromagneten 1, welche bei der Bewegung des Körpers über die Strecke s parallel zur Lesespule L2 ausgerichtet wurden, wieder parallel zu den Feldlinien der Löschspule L1 ausgerichtet. Dieser Vorgang erzeugt einen magnetischen Flusswechsel dΦ1, welcher einen Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2(t) in der Lesespule L2 gemäß 4a und 4b induziert. U2(s, t) ≈ N2(s) dΦ1 / dt (Gl 1)

U2(s, t): – Spannung in Lesespule L2 in Abhängigkeit von Strecke s und Zeit t.
N2(s): – Anzahl der Windungen der Lesespule L2 innerhalb der Strecke s.
dΦ1: – Magnetischer Flusswechsel in der Lesespule L2.

After restarting the control, the quenching coil L1 is again subjected to a current pulse I1, that is, there is a reverse magnetization. In this case, the elementary magnets of the ferromagnet 1 , which were aligned in the movement of the body over the distance s parallel to the read coil L2, again aligned parallel to the field lines of the quenching coil L1. This process generates a magnetic flux change dΦ1, which generates a reverse magnetization voltage pulse U2 (t) in the read coil L2 according to FIG 4a and 4b induced.

U2 (s, t) ≈N2 (s) dΦ1 / dt (G1)

U2 (s, t): - Voltage in read coil L2 as a function of distance s and time t.
N2 (s): Number of turns of the reading coil L2 within the distance s.
dΦ1: - Magnetic flux change in the reading coil L2.

Die Anzahl der in der Strecke s liegenden Spulenwindungen der Lesespule L2 lässt sich näherungsweise aus dem Wicklungsabstand, bzw. dem Spulendrahtdurchmesser d2 und der Anzahl der Windungen n2 über dem Wicklungsabstand d2 berechnen. Wicklungsfüllfaktoren sind hier nicht berücksichtigt. N2(s) ≈ s· n2 / d2 (Gl 2)

N2(s): – Anzahl der Windungen der Lesespule L2 innerhalb der Strecke s.
s: – Mit dem Permanentmagneten überfahrene Strecke des Spulenkerns.
n2: – Anzahl der Windungen über dem Wicklungsabstand d2.
d2: – Wicklungsabstand, bzw. Spulendrahtdurchmesser der Lesespule L2.

The number of coil turns of the read coil L2 lying in the distance s can be calculated approximately from the winding spacing or the coil wire diameter d2 and the number of turns n2 over the winding spacing d2. Winding fill factors are not considered here.

N2 (s) ≈sn2 / d2 (G1 2)

N2 (s): Number of turns of the reading coil L2 within the distance s.
s: - With the permanent magnet overrun distance of the spool core.
n2: - Number of turns over the winding distance d2.
d2: - Winding distance, or coil wire diameter of the read coil L2.

Integriert man den induzierten Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2 über die Einschaltimpulsdauer TE aus Gleichung Gl 1, so erhält man den vor dem Einschaltimpuls vorhandenen magnetischen Fluss Φ1 in der Lesespule L2.

Φ1: – Magnetischer Fluss in der Lesespule L2.
sN2(s): – Anzahl der Windungen der Lesespule L2 innerhalb der Strecke s.
U2(t): – Induzierte Spannung in Lesespule L2 in Abhängigkeit von der Zeit t.
TE: – Einschaltimpulsdauer.

Integrating the induced Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2 over the turn-on pulse duration TE from equation Gl 1, we obtain the existing before the turn-on magnetic flux Φ1 in the read coil L2.

Φ1: - Magnetic flux in the reading coil L2.
SN2 (s): Number of turns of the reading coil L2 within the distance s.
U2 (t): - Induced voltage in read coil L2 as a function of time t.
TE: - switch-on pulse duration.

Der durch die Ummagnetisierung verbleibende Remanenzfluss ΦR im Spulenkern ergibt sich aus der Remanenzflussdichte BR des ferromagnetischen Spulenkerns und dem Flächenintegral über die ummagnetisierten Querschnittsfläche AR des Spulenkerns.

ΦR: – Verbliebener magnetischer Remanenzfluss im ferromagnetischen Spulenkern.
BR: – Remanenzflussdichte des ferromagnetischen Spulenkerns.
AR: – Ummagnetisierte Querschnittsfläche des ferromagnetischen Spulenkerns.

The remanence flux ΦR in the coil core which remains due to the remagnetization results from the remanence flux density BR of the ferromagnetic coil core and the area integral via the re-magnetized cross-sectional area AR of the coil core.

.phi.R: - Remaining magnetic remanence flux in ferromagnetic coil core.
BR: - Remanence flux density of the ferromagnetic coil core.
AR: - Re-magnetized cross-sectional area of the ferromagnetic coil core.

Geht man davon aus, dass die Elementarmagneten im Ferromagneten 1 über die vollständige Querschnittsfläche des Spulenkerns parallel zu den Feldlinien des Permanentmagneten 2 ausgerichtet wurde, kann die ummagnetisierte Querschnittsfläche bei einem rechteckigen Spulenkern vereinfacht aus seiner Breite b und Höhe h berechnet werden. AR ≈ b·h (Gl 5)

AR: – Ummagnetisierte Querschnittsfläche des ferromagnetischen Spulenkerns.
b: – Breite eines rechteckigen Spulenkern.
h: – Höhe eines rechteckigen Spulenkern.

Assuming that the elementary magnets in the ferromagnet 1 over the full cross-sectional area of the bobbin parallel to the field lines of the permanent magnet 2 has been aligned, the reloaded cross-sectional area can be calculated in a rectangular coil core simplified from its width b and height h.

AR ≈bh (Eq 5)

AR: - Re-magnetized cross-sectional area of the ferromagnetic coil core.
b: - Width of a rectangular coil core.
H: - Height of a rectangular coil core.

Der verbliebene Remanenzfluss ΦR im ferromagnetischen Spulenkern errechnet sich damit aus Gleichung Gl 4 und Gl 5 vereinfacht zu: ΦR ≈ BR·AR (Gl 6)

ΦR: – Verbliebener magnetischer Remanenzfluss im ferromagnetischen Spulenkern.
BR: – Remanenzflussdichte des ferromagnetischen Spulenkerns.
AR: – Ummagnetisierten Querschnittsfläche des ferromagnetischen Spulenkerns.

The remaining remanence flux ΦR in the ferromagnetic coil core is thus calculated from Equation Gl 4 and Gl 5 simplified to:

ΦR ≈ BR · AR (Eq 6)

.phi.R: - Remaining magnetic remanence flux in ferromagnetic coil core.
BR: - Remanence flux density of the ferromagnetic coil core.
AR: - Remagnetized cross-sectional area of the ferromagnetic coil core.

Der aus dem induzierten Spannungsimpuls U2(t) errechnete magnetische Fluss Φ1 aus Gleichung Gl 3 entspricht dem vom ummagnetisieren verbliebenen magnetischen Remanenzfluss ΦR aus Gleichung Gl 6.

The magnetic flux Φ1 calculated from the induced voltage pulse U2 (t) from equation G1 corresponds to the magnetic remanence flux ΦR remaining from the magnetization reversal from equation Eq.

Ersetzt man nun die vom Permanentmagneten 2 überstrichene Windungsanzahl N2(s) mit Gleichung Gl 2, die Querschnittsfläche AR des Spulenkerns mit Gleichung Gl 5 und stellt Gleichung Gl 7 nach der Strecke s um, ergibt sich für die Strecke s näherungsweise:

s: – Mit dem Permanentmagneten überfahrene Strecke des Spulenkerns.
d2: – Wicklungsabstand, bzw. Spulendrahtdurchmesser der Lesespule L2.
BR: – Remanenzflussdichte des ferromagnetischen Spulenkerns.
b: – Breite eines rechteckigen Spulenkern.
h: – Höhe eines rechteckigen Spulenkern.
n2: – Anzahl der Windungen über dem Wicklungsabstand d2.
U2(t): – Induzierte Spannung in Lesespule L2 in Abhängigkeit von der Zeit t.
TE: – Einschaltimpulsdauer.

Now replace the one from the permanent magnet 2 swept number of turns N2 (s) with equation Gl 2, the cross-sectional area AR of the coil core with equation Gl 5 and converts equation Gl 7 according to the distance s, results for the distance s approximately:

s: - With the permanent magnet overrun distance of the spool core.
d2: - Winding distance, or coil wire diameter of the read coil L2.
BR: - Remanence flux density of the ferromagnetic coil core.
b: - Width of a rectangular coil core.
H: - Height of a rectangular coil core.
n2: - Number of turns over the winding distance d2.
U2 (t): - Induced voltage in read coil L2 as a function of time t.
TE: - switch-on pulse duration.

Wird ein weiterer Stromimpuls I1 durch die Löschspule L1 geschickt, wird theoretisch keine Spannung in der Lesespule L2 induziert, da Lösch- und Lesespule um 90° versetzt angeordnet sind und alle Elementarmagnete bereits parallel zu den Feldlinien der Löschspule L1 ausgerichtet wurden. If a further current pulse I1 sent through the quenching coil L1, no voltage is theoretically induced in the read coil L2, since quenching and reading coil are arranged offset by 90 ° and all elementary magnets were aligned parallel to the field lines of the quenching coil L1.

Bedingt durch die magnetischen Materialeigenschaften des ferromagnetischen Kerns und dem mechanisch möglichen Spulenaufbau wird in der Praxis jedoch auch in diesem Fall ein Übersprechspannungsimpuls U2Ü(t) in der Lesespule L2 induziert. Dieser Impuls ist jedoch gemäß 5 kleiner als der Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2(t). Due to the magnetic material properties of the ferromagnetic core and the mechanically possible coil structure, however, in practice a crosstalk voltage pulse U2Ü (t) is induced in the read coil L2 in this case as well. However, this pulse is according to 5 smaller than the Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2 (t).

Zur Berechnung der ummagnetisierten Strecke des ferromagnetischen Kerns ist daher das Intergral über den Übersprechspannungsimpuls U2Ü(t) vom Integral über den Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2(t) gemäß 6 zu subtrahieren.

s: – Mit dem Permanentmagneten überfahrene Strecke des Spulenkerns.
d2: – Wicklungsabstand, bzw. Spulendrahtdurchmesser der Lesespule L2.
BR: – Remanenzflussdichte des ferromagnetischen Spulenkerns.
b: – Breite eines rechteckigen Spulenkern.
h: – Höhe eines rechteckigen Spulenkern.
n2: – Anzahl der Windungen über dem Wicklungsabstand d2.
U2(t): – Durch den ersten Stromimpuls I1 in Löschspule L1 induzierte Spannung in Lesespule L2.
U2Ü(t): – Durch einen weiteren Stromimpuls I1 in Löschspule L1 induzierte Übersprechspannung in Lesespule L2.
TE: – Einschaltimpulsdauer.
TÜ: – Übersprechimpulsdauer.

For calculating the remagnetized path of the ferromagnetic core, therefore, the integral over the crosstalk voltage pulse U2Ü (t) from the integral via the Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2 (t) according to 6 to subtract.

s: - With the permanent magnet overrun distance of the spool core.
d2: - Winding distance, or coil wire diameter of the read coil L2.
BR: - Remanence flux density of the ferromagnetic coil core.
b: - Width of a rectangular coil core.
H: - Height of a rectangular coil core.
n2: - Number of turns over the winding distance d2.
U2 (t): - By the first current pulse I1 in quenching coil L1 induced voltage in read coil L2.
U2Ü (t): - Crosstalk voltage induced in L1 by a further current pulse I1 in quenching coil L1.
TE: - switch-on pulse duration.
TÜ: - Crosstalk pulse duration.

Die Genauigkeit, mit der die Strecke s bestimmt werden kann, hängt wesentlich von der Breite des Permanentmagneten 2 und des Bereichs im ferromagnetischen Spulenkern ab, in dem die magnetische Flussdichte des Permanentmagneten größer ist als die Remanenzflussdichte BR des ferromagnetischen Spulenkerns. The accuracy with which the distance s can be determined depends essentially on the width of the permanent magnet 2 and the region in the ferromagnetic coil core in which the magnetic flux density of the permanent magnet is greater than the remanent flux density BR of the ferromagnetic coil core.

In der vorangehenden Beschreibung ist der Permanentmagnet 2 gegenüber dem ferromagnetischen Spulenkern so angeordnet, dass die Elementarmagneten des Spulenkerns, unabhängig von der Bewegungsrichtung V des Permanentmagneten 2, immer in die gleiche Richtung ausgerichtet werden. Eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung des Permanentmagneten 2 hat keinen Einfluss auf die bereits ausgerichteten Elementarmagnete des ferromagnetischen Spulenkerns. In the foregoing description, the permanent magnet 2 opposite to the ferromagnetic coil core arranged so that the elementary magnets of the coil core, regardless of the direction of movement V of the permanent magnet 2 , always be aligned in the same direction. A forward or backward movement of the permanent magnet 2 has no influence on the already aligned elementary magnets of the ferromagnetic coil core.

Verdreht man den Permanentmagneten 2, so dass ein Magnetpol zum Spulenkern zeigt, so hängt gemäß 7a, b die verbleibende Ausrichtung der Elementarmagnete im Spulenkern von der Bewegungsrichtung V des Permanentmagneten 2 ab. Twisting the permanent magnet 2 , so that a magnetic pole points to the bobbin, so depends 7a , b the remaining orientation of the elementary magnets in the spool core from the direction of movement V of the permanent magnet 2 from.

Je nach Ausrichtung der Elementarmagnete ändert sich bei Stromimpuls I1 das Vorzeichen des magnetischen Flusswechsels dΦ2 in der Lesespule L2. Entsprechend wird ein positiver oder negativer Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2(t) in der Lesespule L2 gemäß 8a, b induziert. Depending on the orientation of the elementary magnets, the sign of the magnetic flux change dΦ2 in the read coil L2 changes with current pulse I1. Accordingly, a positive or negative Ummagnetisierungsspannungsimpuls U2 (t) in the read coil L2 according to 8a , b induced.

Mit dieser Anordnung des Permanentmagneten 2 ist die Erkennung der Bewegungsrichtung im ausgeschalteten Zustand möglich. Es ist aber keine sichere Bewegungserkennung möglich, da bei Vor- und Zurückbewegung des Permanentmagneten 2 die Elementarmagenten des Spulenkerns so ausgerichtet werden können, dass sich deren magnetische Flüsse in der Lesespule L2 gegenseitig kompensieren und somit kein magnetischer Flusswechsel dΦ1 mit dem Löschimpuls I1 entsteht. With this arrangement of the permanent magnet 2 is the detection of the direction of movement in the off state possible. But there is no safe motion detection possible, as in forward and backward movement of the permanent magnet 2 the elementary agents of the spool core can be aligned so that their magnetic fluxes in the read coil L2 compensate each other and thus no magnetic flux change dΦ1 is formed with the erase pulse I1.

Die erfindungsgemäße Methode zur magnetischen Speicherung von Bewegungsinformationen und zum Auslesen dieser Information beinhaltet:

– Ummagnetisierung eines ferromagnetischen Materials durch Bewegung eines Permanentmagneten über ein ferromagnetisches Material im ausgeschalteten Zustand.
– Bestimmung der Stecke oder der Richtung des ummagnetisierten Bereichs durch Zurückstellen des ferromagnetischen Materials in die ursprüngliche Magnetisierungsrichtung und Messung der dadurch induzierten Spannung.
– Verringerung von Störeinflüssen auf die Messung der induzierten Spannung durch um 90° versetzt angeordneten Spulen bzw. Magnetfelder.
– Durch die mechanische Bewegung eines Antriebs bzw. Fahrzeugs wird das Magnetfeld eines ferromagnetischen Materials verändert.
– Durch Zurücksetzen des Magnetfeldes in die ursprüngliche Ausrichtung und die dadurch induzierte Spannung in einer Spule wird die Länge oder Richtung der mechanischen Bewegung bestimmt.

The inventive method for the magnetic storage of movement information and for reading this information includes:

- Remagnetization of a ferromagnetic material by moving a permanent magnet over a ferromagnetic material in the off state.
- Determining the plug or the direction of the re-magnetized area by returning the ferromagnetic material in the original magnetization direction and measuring the voltage induced thereby.
- Reduction of interference on the measurement of the induced voltage by offset by 90 ° arranged coils or magnetic fields.
- The mechanical movement of a drive or vehicle, the magnetic field of a ferromagnetic material is changed.
By resetting the magnetic field to the original orientation and the voltage induced thereby in a coil, the length or direction of the mechanical movement is determined.

Bei dem folgenden Ausführungsbeispiel gem. 9 ist der Ferromagnet 1 als Ringkern ausgebildet, um den die Löschspule L1 koaxial und die Lesespule L2 axial gewickelt ist. Durch den Ringkern ist eine Antriebsachse 3 geführt. An der Antriebsachse 3 ist der Permanentmagnet 2 befestigt. Die Antriebsachse 3 ist mechanisch mit dem zu überwachenden Objekt gekoppelt, z.B. Motorachse, Getriebeachse, Umlenkrolle oder Radachse. In the following embodiment gem. 9 is the ferromagnet 1 formed as a ring core, around which the quenching coil L1 coaxial and the read coil L2 is wound axially. Through the toroid is a drive axle 3 guided. At the drive axle 3 is the permanent magnet 2 attached. The drive axle 3 is mechanically coupled to the object to be monitored, eg motor axis, gear axle, pulley or wheel axle.

Ist der Permanentmagnet 2 gemäß 9 mit den Magnetpolen parallel zu Drehrichtung angeordnet, kann erkannt werden, ob ein Antrieb um mindestens eine Umdrehung bewegt wurde. Is the permanent magnet 2 according to 9 arranged with the magnetic poles parallel to the direction of rotation, it can be detected whether a drive has been moved by at least one revolution.

Ist der Permanentmagnet 2 gemäß 10 mit den Magnetpolen parallel zur Drehachse angeordnet, so kann mit dem Bewegungssensor erkannt werden, in welche Richtung ein Antrieb bewegt wurde. Is the permanent magnet 2 according to 10 arranged with the magnetic poles parallel to the axis of rotation, it can be detected with the motion sensor, in which direction a drive has been moved.

Um das Übersprechen zwischen den Spulen L1 und L2 gering zu halten, ist es günstig, die Lesespule L2 in eine ringförmige Nut um den Spulenkern einzubetten. In order to keep the crosstalk between the coils L1 and L2 low, it is convenient to embed the read coil L2 in an annular groove around the spool core.

In 11 ist ein Blockschaltbild zur Ansteuerungs- und Auswerte-Logik j der beschriebenen Einrichtung zur Erkennung einer Positionsänderung eines beweglichen Körpers, d.h. des hier mit dem Bezugszeichen a gekennzeichneten Bewegungssensors dargestellt. Der Bewegungssensor a und die Auswerte-Logik j können sowohl als eigenständige Einheit ausgeführt oder in eine Antriebsteuerung integriert werden. In 11 is a block diagram of the control and evaluation logic j of the described device for detecting a change in position of a movable body, that is, shown here by the reference numeral a motion sensor. The motion sensor a and the evaluation logic j can be executed both as a separate unit or integrated into a drive control.

Die Löschspule L1 und die Lesespule L2 des Bewegungssensors a sind mit der Ansteuerungs- und Auswerte-Logik j verbunden. Die in der Lesespule L2 induzierte Spannung wird von einem Verstärker d auf den Messbereich eines A/D Wandlers e verstärkt. Die Löschspule L1 wird von einem Leistungstreiber f angesteuert. Über eine externe Kommunikation i kann ein Messvorgang gestartet und das Messergebnis abgefragt werden. Eine Steuerungslogik g steuert den folgend beschriebenen Messvorgang. The quenching coil L1 and the reading coil L2 of the motion sensor a are connected to the drive and evaluation logic j. The voltage induced in the reading coil L2 is amplified by an amplifier d to the measuring range of an A / D converter e. The quenching coil L1 is driven by a power driver f. Via external communication i, a measurement process can be started and the measurement result can be interrogated. A control logic g controls the measurement procedure described below.

Es beginnt mit dem Kommando „ Messung starten“, wodurch die Löschspule L1 zunächst eingeschaltet wird. Daraufhin erfolgt die Integration der induzierten Ummagnetisierungsspannung U2(t) in der Lesespule L2 über die Impulsdauer TE. Dann wird die Löschspule L1 ausgeschaltet und gewartet bis der Strom I1 in der Löschspule L1 den Wert Null erreicht hat. Danach schaltet die Löschspule L1 ein und es erfolgt eine Integration der induzierten Übersprechspannung U2Ü(t) in der Lesespule L2 über die Impulsdauer und gewartet bis Strom I1 in Löschspule L1 Null ist. Anschließend erfolgt die Berechnung des Messwertes für Strecke s aus dem Intergral über die Ummagnetisierungsspannung U2(t) und dem Integral der Übersprechspannung U2Ü(t). Am Ende wird der Messwert für die Wegstrecke s ausgegeben. It starts with the command "Start measurement", whereby the quenching coil L1 is first switched on. Thereafter, the integration of the induced Ummagnetisierungsspannung U2 (t) takes place in the read coil L2 over the pulse width TE. Then, the quenching coil L1 is turned off and waited until the current I1 in the quenching coil L1 has reached zero. Thereafter, the quenching coil L1 turns on and there is an integration of the induced crosstalk voltage U2Ü (t) in the read coil L2 over the pulse duration and maintained until current I1 in quenching coil L1 is zero. Subsequently, the calculation of the measured value for distance s from the integral takes place via the magnetic reversal voltage U2 (t) and the integral of the crosstalk voltage U2Ü (t). At the end, the measured value for the distance s is output.

Für die mechanische und elektrische Ausführung des Bewegungssensors sind verschiedene Verfahrensvariationen vorstellbar:

– Verschiedene Formen und Anordnungen der Spulen und des Spulenkerns (ringförmig, linear, stabförmig).
– Verschiedene Anordnungen des Permanentmagneten zum Spulenkern.
– Mehrere diskrete Bewegungssensoren in verschiedenen mechanischen Anordnungen (ringförmig, linear, beliebig).
– Vertauschen von Lese- und Löschspule.
– Lese- und Löschspule nicht 90° versetzt angeordnet, was ein höheres Übersprechen bewirkt.
– Es kann aber auch die Lesespule entfallen und eine Messung der Induktivitätsänderung bzw. des Stromanstiegs in der Löschspule erfolgen, wobei der zu messende Effekt gering gegenüber dem Löschstrom ist.
– Der Bewegungssensor kann in eine Antriebssteuerung, einen Motor oder ein Achslager integriert werden.
– Der ummagnetisierte Spulenkernbereich kann mit Hilfe von Hall-Sensoren erkannt werden.
– Das Löschen der Magnetisierung kann durch ein abklingendes HF-Feld erfolgen.

For the mechanical and electrical design of the motion sensor various process variations are conceivable:

- Different shapes and arrangements of the coils and the coil core (annular, linear, rod-shaped).
- Different arrangements of the permanent magnet to the bobbin.
- Several discrete motion sensors in different mechanical arrangements (annular, linear, arbitrary).
- Swapping of reading and erasing coil.
- Read and quench coil not arranged 90 ° offset, which causes a higher crosstalk.
- But it can also account for the read coil and carried out a measurement of the inductance change or the current increase in the quenching coil, the effect to be measured is low compared to the quenching current.
- The motion sensor can be integrated into a drive control, a motor or an axle bearing.
- The re-magnetized core area can be detected by means of Hall sensors.
- The deletion of the magnetization can be done by a decaying RF field.

Claims

Device for detecting a change in position of a movable body, having the following features: a) With a ferromagnet ( 1 ), b) with a first coil (L1) for magnetizing the ferromagnet ( 1 ) in a preferred direction, ie in an exit direction, c) with a permanent magnet ( 2 ), which is connected to the body, for at least partial remagnetization of the output direction in the change in position of the body along the distance traveled during the position change distance (s) and d.) With means for determining the remagnetization.

Device according to claim 1, characterized in that the means for determining the remagnetization comprise a second coil (L2), in which an induced voltage pulse (U2) is measurable, if by a current pulse (I1) in the first coil (L1) the partial Remagnetization of the ferromagnet ( 1 ) is canceled and thus the magnetization takes place back in the starting direction.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the first coil (L1) and the second coil (L2) are arranged offset by 90 °.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the permanent magnet ( 2 ) opposite the ferromagnet ( 1 ) is arranged such that the elementary magnets of the spool core regardless of the direction of movement (V) of the permanent magnet ( 2 ) are aligned in the same direction.

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the permanent magnet ( 2 ) opposite the ferromagnet ( 1 ) is arranged such that a magnetic pole to the bobbin shows.

Device according to claim 1, characterized in that the means for determining the magnetic reversal Hall sensors.

Method for detecting a change in position of a movable body, comprising the following features: a) a ferromagnet ( 1 ) is magnetized by a first coil (L1) in a preferred direction, ie in an output direction, b) a permanent magnet connected to the body (FIG. 2 ) magnetizes the ferromagnet ( 1 ) in the change in position of the body along the distance traveled during the position change (s) at least partially from the output direction and c) there is a re-magnetization of the previously magnetized elementary magnetomagnets in the output direction and a measurement of the Rückmagnetisierungseffekts.

A method according to claim 7, characterized in that the back magnetization by a current pulse (I1) in the first coil (L1) takes place while in a second coil (L2) a voltage pulse (U2) is induced, which is evaluated to determine the change in position.

Method according to claim 7 or 8, characterized in that the permanent magnet ( 2 ) opposite the ferromagnet ( 1 ) is arranged such that the elementary magnets of the spool core regardless of the direction of movement (V) of the permanent magnet ( 2 ) are aligned in the same direction.

Method according to claim 7, characterized in that the permanent magnet ( 2 ) opposite the ferromagnet ( 1 ) is arranged such that a magnetic pole to the bobbin shows.

Method according to one of claims 7, characterized in that the back magnetization is effected by a decaying RF field.